установка для газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов

Формула изобретения

1. Установка для газовой низкотемпературной химико-термической обработки стали и сплавов, в частности для газового азотирования и нитроцементации металлических изделий, содержащая электропечь с муфелем либо без муфеля, емкость с аммиаком, магистрали подвода и отвода газов, устройства смешения и порционирования газов, отличающаяся тем, что на магистрали подвода газов к электропечи установлена емкость с катализатором.

2. Установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость с катализатором на магистрали подвода газов размещается внутри печного пространства.

3. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что емкость с катализатором загружена катализатором в виде гранул, порошка, тканей, сеток.

4. Установка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что емкость с катализатором загружена катализатором, изготовленным из материалов на основе оксидов алюминия, и/или оксидов кремния, и/или металлов и их сплавов на основе железа, никеля, хрома, алюминия, меди, при этом катализатор содержит в своем составе каталитически активные компоненты из следующего ряда элементов: металлы платиновой группы (платина, палладий, родий), хром, никель, кобальт, марганец, медь, цинк.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для газовой низкотемпературной химико-термической обработки (НТХТО) сталей и сплавов, в частности к устройствам для газового азотирования (ГА) и газовой нитроцементации (ГНЦ) металлических изделий.

Способы НТХТО (ГА и ГНЦ) сталей и сплавов широко известны в технологии машиностроения как способы повышения поверхностной твердости, износостойкости и химической стойкости различных металлических изделий, деталей машин и аппаратов.

Наиболее распространенные на практике способы ГА и ГНЦ основаны на использовании в процессе НТХТО аммиаксодержащих печных атмосфер. При всем многообразии этих способов устройства для их реализации характеризуются общностью оформления их структурных схем. Принципиальные схемы таких устройств для ГА и ГНЦ за многие десятилетия их истории не претерпевшие качественных изменений, содержат в своей структуре следующие основные элементы (см., например, [1, 2]): печь (как правило, электропечь с муфелем или без муфеля) для нагрева металлических изделий до температур 500-700^oC; емкость с аммиаком для формирования аммиаксодержащих газовых потоков, создающих необходимую азотирующую печную атмосферу; магистрали подвода потоков рабочих газов к печи и отвода от нее отработанных газов; устройства смешения и порционирования газовых потоков, направляемых в печь.

Указанные признаки устройств для ГА и ГНЦ присущи и аналогу, наиболее близкому к настоящему прелагаемому изобретению (аналогу, выбранному за прототип - [3]).

На фиг. 1 приведена структурная схема этой установки: печь для нагрева металлических изделий до температур 500-700^oC 1; емкость с аммиаком для формирования аммиаксодержащих газовых потоков, создающих необходимую азотирующую печную атмосферу 2; магистрали подвода потоков рабочих газов к печи и отвода от нее отработанных газов 3, 4; устройства смешения и порционирования газовых потоков, направляемых в печь 5.

Приведенным устройствам-аналогам (в том числе и устройству прототипу) свойственны существенные недостатки, проявляющиеся при проведении в этих устройствах процессов ГА и ГНЦ. Наиболее значительные из этих недостатков следующие:

а) плохая управляемость процесса НТХТО из-за неопределенности при выборе режимов ГА и ГНЦ, которые зависят не только от материала и типа изделия, но и от таких случайных факторов, как вид печи и ее конструктивное оформление;

б) большой расход аммиака (порядка нескольких кубометров аммиака в час в расчете на один кубометр объема печи) и большая длительность нахождения изделий в печи (порядка нескольких десятков часов) при проведении операций ГА и ГНЦ, что негативно отражается на себестоимости готовых изделий;

в) ограниченность круга материалов и типов изделий, которые могут быть подвергнуты НТХТО (например, невозможность провести азотирование быстрорежущих сталей и изделий порошковой металлургии).

Целью данного изобретения является создание нового устройства для ГА и ГНЦ сталей и сплавов, в котором были бы устранены указанные выше недостатки, присущие аналогам и прототипу.

Поставленная цель достигается при проведении процессов ГА и ГНЦ в предлагаемом устройстве, которое выполнено в виде установки для НТХТО, содержащей в своей схеме (фиг. 2), также как и в схеме установки-прототипа, электропечь (с муфелем либо без муфеля) 1, емкость с аммиаком 2, магистрали подвода и отвода газов 3, 4, устройства смешения и порционирования газов 5, но отличающейся от прототипа тем, что на магистрали подвода газов к электропечи установлена емкость с катализатором 6.

При проведении экспериментальных исследований особенностей процесса НТХТО сталей и сплавов на составляющих предмет предлагаемого технического решения установках, в которых аммиаксодержащие газовые потоки при подаче в печь подвергаются каталитической обработке в емкости с катализатором, установлено:

а) существенное расширение возможностей по управлению процессом НТХТО, выразившееся в реализации обширной области альфа-твердого раствора при аномально больших параметрах решетки, в доступности регулирования конечного содержания азота в стали в широком интервале значений, в увеличении глубины поверхностного слоя изделия до 1 мм с заданными параметрами твердости, в увеличении коррозионной стойкости конструкционных сталей, в значительном подавлении негативного процесса поверхностного обезуглераживания сталей при азотировании;

б) существенное сокращение расхода аммиака при проведении процесса ГА (в 4-8 раз по сравнению с традиционным азотированием в аммиачно-воздушных средах без их каталитической обработки) при значительном уменьшении длительности обработки стальных изделий в азотирующей печной атмосфере (в 2-3 раза);

в) расширение круга материалов и изделий, поддающихся процессам НТХТО, в частности, осуществление азотирования быстрорежущих сталей и изделий порошковой металлургии.

В экспериментах были обследованы различные схемы размещения емкости с катализатором 6 относительно печи 1. Установлено, что наилучшие результаты НТХТО, проведенной в предлагаемом устройстве, достигаются при размещении емкости с катализатором 6 внутри печного пространства 1.

В экспериментах были использованы различные по своей форме катализаторы, загружаемые в емкость 6: катализаторы в виде гранул, порошка, тканей, сеток.

В экспериментах была установлена возможность использования широкого круга различных по химическому составу катализаторов, загружаемых в емкость 6 предлагаемого устройства для НТХТО: катализаторы, изготовленные из материалов на основе оксидов алюминия, оксидов кремния и/или из металлов и их сплавов на основе железа, никеля, хрома, алюминия, меди, содержащих в своем составе каталитически активные элементы из ряда металлов платиновой группы (платина, палладий, родий), хром, никель, кобальт, марганец, свинец, цинк.

Однозначное научное объяснение природы приведенных выше особенностей НТХТО, реализующихся при проведении процесса в предлагаемом устройстве, авторы пока не могут сформулировать. Бесспорно только то обстоятельство, что при введении в схему установки по НТХТО емкости с катализатором печная атмосфера, подвергнутая в этой емкости каталитической обработке, приобретает особую активность в отношении азотирующего воздействия на изделия из сталей и сплавов.

Для полного понимания механизмов этих неожиданных эффектов потребуется постановка специального цикла научных исследований фундаментального характера. На данном этапе для интерпретации глубоких изменений процессов НТХТО при каталитической активации печной атмосферы авторами предлагаются лишь некоторые гипотетические представления.

Исходное положение, которое является отправной точкой данной гипотезы, представляет собой нетрадиционную для существующей теории азотирования концепцию. В ее основу положено соображение, в соответствии с которым утверждается, что при НТХТО металлов активными компонентами в газовой среде являются не стабильные, равновесные продукты взаимодействия компонентов печной атмосферы (в наиболее типичном случае - это продукты окисления аммиака кислородом воздуха), а промежуточные, лабильные, высокоактивные в химическом отношении образования (азот-, водород-, кислородсодержащие радикалы, ионы, ионрадикалы). Именно эти неравновесные, но достаточно долго живущие "осколки", обладающие высокой активностью, малыми размерами, способностью проникать в твердую металлическую матрицу и реагировать с ней, вносят решающий вклад в реализацию эффекта поверхностного азотирования изделий из металлов и сплавов. Введение в процессе НТХТО каталитического фактора (в соответствии с предлагаемым техническим решением), воздействующего особым образом на превращения газовых реагентов печной атмосферы в ходе ее взаимодействия с металлическими поверхностями, позволяет целенаправленно и селективно управлять возможными параллельными маршрутами реакции окисления аммиака, т. е. всем спектром образующихся в этом процессе конечных и промежуточных продуктов. Именно этот фактор и является, по мнению авторов, причиной реализации позитивных особенностей процессе НТХТО, осуществляемого в условиях предлагаемого устройства.

Формируемая в результате этих процессов печная атмосфера обеспечивает насыщение сталей и сплавов азотом по преимущественно твердорастворному механизму с максимальной приближенностью получаемого результата к диаграмме состояний железо - азот. Общеизвестно, что реальное ГА в обычных печных атмосферах сопровождается образованием высокоазотистых нитридов железа с самых первых этапов насыщения. Высокоазотистые нитриды железа присутствуют в этом случае при любых содержаниях азота в железе, будучи неравновесными по бинарной диаграмме. Это факт вызывает многие проблемы НТХТО: затухание диффузии во времени процесса, излишнюю пористость слоя, ограниченность по применимости к различным материалам, повышенную хрупкость изделий, низкую степень повторимости технологических процессов.

Для проверки предлагаемого технического решения проведено исследование механизмов диффузии азота в железо из газовой фазы, формируемой устройствами, подобными прототипу и предлагаемым устройством. Обработка образцов из армко-железа проводилась в установке-прототипе и в макете предлагаемой установки. Режимы насыщения включали в себя нагрев до 540^oC, выдержку при различных в каждом случае величинах насыщающей способности печной атмосферы (потенциала) до установления равновесия концентрации азота в железе с потенциалом атмосферы и охлаждение в потоке азота. На обработанных таким образом образцах проводились исследования содержания азота в железе методом вакуум-плавления и фазового состава методом рентгеноструктурного фазового анализа. Полученные результаты оценивались на степень приближения к бинарной диаграмме железо - азот. Результаты исследований приведены в таблице.

Как видно из данных таблицы, печная атмосфера, формируемая в предлагаемой установке обеспечивает протекание процесса насыщения железа азотом в условиях, более приближенных к бинарной диаграмме железо - азот. Это открывает широкие возможности по совершенствованию имеющихся технологий НТХТО и разработке новых технологических процессов с целью повышения долговечности деталей машин и инструмента, а также оптимизации серийных технологий машиностроения.